城市内涝的时空分布特征及其成因分析*——以呼和浩特市区为例

那仁满都拉，宫凌旭，张虎贵，春 风，郭恩亮

(1.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室，内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.呼和浩特市供排水管网服务中心，内蒙古 呼和浩特 010010)

当前，全球极端降雨频发造成城市内涝成为继交通拥堵、环境污染等另一城市病[1]；而城市内涝是指在强降雨或连续性降雨过程中超过城市排水能力，造成降雨无法通过管道排出而使城市产生积水灾害的现象；受到国内外专家学者一定的重视[2]。如今，已成为一种常见自然灾害，影响居民出行与交通安全[3]；此外，还会影响城市正常运转[4-5]，并对经济也带来巨大影响；已成为城市防洪安全的关键[6]。近几十年来，全球极端天气事件频繁出现并呈增加趋势[7]；尤其在近几年来，极端天气事件在全球十大风险发生概率很大[8]；而中国也未能幸免且影响较大[9]。如今，洪涝灾害已成为主要气候灾害之一，受到党和国家的高度关注。

城市内涝主要受降雨、地形等自然因素和城市建设等人为因素影响[10]；如城市现代化进程加快，工业生产和日常生活产生大量废气造成城市下垫面的温度升高而形成“热岛效应”[11]，进而造成区域性强降雨频发；此外，由于城市建设过程中，建筑物、不透水路面和停车场增多也会造成地表渗透能力降低[12]。再者，在城市化过程中沿河植被物种及其面积也会发生相应变化而导致其排洪能力减弱，进而加剧城市内涝危害[13]。

内蒙古地区汛期主要集中在6—8月，其极端降水总量约占年降水量的30%以上[14]，造成内蒙古各盟市内涝灾情严重，但目前针对内蒙古地区的内涝成因分析的研究较少，主要是对极端降水与暴雨特征进行相应分析[15-16]，故对内蒙古地区内涝时空特征及其成因进行分析意义较大；此外，呼和浩特市作为内蒙古自治区首府，城市化发展较快，人口集中、经济发达；但城市内涝所造成的影响也较为严重。本文以呼和浩特市区为例，通过对多年降水及地形等自然因素及与城市内涝有关的城市绿化面积、积水面积等进行分析，试图回答以下几个问题：①呼和浩特市区城市内涝具有怎样的时空分布特征：②是什么自然因素或人为非自然因素造成城市内涝？旨在为其他城市及相关部门在研究城市内涝问题中提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼和浩特处于内蒙古中部(40°48′N，111°41′E)；为典型温带大陆性季风气候，海拔约1 000 m；地势呈北高南低、东高西低的特点；中心城区面积为260 km2；年均温在3～7℃间，年降水量在350～500 mm间，集中分布在6—9月；无霜期为110～140 d。市区境内主要有大黑河、小黑河和哈拉更沟等多条河流(图1)。本研究以呼和浩特市区为研究对象，东侧以科尔沁快速路为界，南侧以大黑河为界(不包含大黑河)，西侧以西二环为界，北侧以京藏高速为界，基本涵盖中心城区95%以上人口。

图1 呼和浩特市区水系分布及区域渔网分割图(审图号：蒙S(2020)022号，底图无修改，下同)

1.2 数据来源及分析

本研究降水数据来源于中国气象数据网及呼和浩特市区内气象雨量站1961—2018年日降水量数据；地理数据于地理空间数据云平台下载，主要包括研究区2018年GDEMDEM 30 m分辨率数字高程数据，用于城市高程及地形分析；城市道路网、城市用地类型数据为2017年卫星高清影像解译的矢量数据。此外，内涝灾害及道路积水数据主要来源于文献搜集及新闻报道，2017—2019年的积水数据为实地调查。再者，雨水管线、雨水泵站数据主要来源于春华水务与市政工程部门的管线图纸与说明书。

2 结果与分析

2.1 内涝时间分布特征

从图2可以看出，2010—2020年内涝积水点数量呈增加趋势；此外，2016—2019年平均积水点个数高于2010—2016年，表明近年来暴雨频发，明显多于往年。对内涝发生的时间分布特征来看，内涝主要发生在6—9月，表明内涝发生与降水格局有关；具体而言，内涝主要发生在7月，2010—2020年间共产生31处积水点，而8、9月次之，6月最少。

图2 内涝时间分布特征

2.2 内涝空间分布特征

通过在ArcGIS中标注积水点具体位置而分析其空间分布特征并将其按照所处行政区划分可知(图3)，积水点主要集中分布在城市二环快速路以内，表明其城市建设程度高造成其积水产生。对不同行政区积水点进行比较分析可以看出，赛罕区、新城区、回民区及玉泉区的积水点分别为25、25、21和7处，密度分别为0.39、0.34、0.37、0.13个/km2(图4)，可知各区积水点分布密度的大小关系为赛罕区>回民区>新城区>玉泉区。

图3 研究区各行政区积水点分布图

图4 各行政区积水点分布密度图

2.3 内涝成因分析

当日降水量大于50 mm时为暴雨日，通过对1961—2018年降水量进行分析可知，共有16 a出现强降水现象，暴雨天数共计23 d(图5)。此外，通过对年度具体暴雨日进行分析发现，暴雨出现次数为1～3 d，仅占全年降雨日的1%，但总暴雨日降水量占全年降水量10%以上，平均占比22.0%，最高占比39.3%；表明强降水可能是影响内涝产生的原因之一。

图5 呼和浩特市暴雨降水与年降水

图6 学院西街2018年与2019年积水情况(作者实拍)

对研究区草地、林地和园林等绿地面积进行分析可知，绿地面积总共为4 726.3 hm2，其中，草地、林地和园林面积分别为2 536.2、1 847.7和286.6 hm2，分别占城市绿地面积的54%、39%和6%；此外，符合绿化标准的广场用地为55.8 hm2，占比1%左右(图7)。将研究区78处积水点与低洼点进行叠加分析发现，73处积水点位于低洼点，占比93.59%，表明城市地形地势可能是导致城市内涝的原因之一(图7)。

图7 呼和浩特市绿地分布及地势图

通过对雨水管线流量、管线长度、积水点个数、绿化面积与积水面积进行回归分析发现(图8)，管线流量与积水面积存在显著负相关关系(R2=0.36，P=0.04)，而管线长度、积水点个数、绿化面积与积水面积之间不存在显著关系(P>0.04)；表明城市内涝主要由于雨水管线流量较低造成。

图8 积水面积及其影响因素的回归分析

3 讨论

在城市建设过程中，工业化进程加快造成城市人口、建筑面积增多，由此引发一系列城市病。近年来，国内较多城市出现内涝灾害，造成河流水系生态破坏及水污染[20]；并呈现出逐年上升的趋势[21]。

在以往的研究中，已对较多大中城市的内涝原因进行相应分析，如北京[17-18]、大连[19]、哈尔滨[22]、杭州[23]、上海[24]、广州[25]、西安[26]、武汉[27]和南京[28]等；可以将城市内涝的成因主要分为极端降水频发造成雨水地表流量大的气象因素、城市所处地势较低的地形因素和城市排水系统供需不平衡的人为因素[29]。本研究发现，研究区暴雨日数虽少，但暴雨日的降水总量占比相对较高，表明强降水是造成内涝发生的原因之一；此外，93.59%的积水点位于低洼地点，表明城市所处的地形地势也会造成城市内涝。

有研究表明，由于城市化造成硬化面积增加，但排水系统建设滞后、雨污合流导致管道淤塞、城市河道内外排水不畅等问题并未解决，当极端气候造成暴雨增加时容易发生城市内涝[30]；而刘建芬等[31]的研究表明积水多集中在城市低洼地区，表明地形地势也会造成城市内涝发生。此外，较多研究表明，城市排水设计滞后也是城市内涝重要原因之一[32-34]。本研究对雨水管线流量、管线长度、积水点个数、绿化面积与积水面积进行回归分析发现，管线流量与积水面积存在显著负相关关系，表明城市内涝主要由于雨水管线流量较低造成，可表明城市排水设计滞后也是造成内涝的原因之一。

城市内涝具有突发性和持续性，威胁城市居民生命财产安全、降低城市居民环境质量，并引发一系列潜在问题。发生内涝时路面容易汇集大量积水造成城市交通系统的拥堵和瘫痪，并使得用电设备倒塌引发触电、车辆进水威胁驾驶员生命安全等。此外，城市土壤及绿化植被长期历经雨水浸泡使得土壤失衡、水分过饱和，也会造成植物根系发育缺氧坏死，进而破坏城市生态环境。故建议在道路两侧增设双排水沟槽，降低雨水沟槽收集口的高度，及时排除积水以减少雨水在地面径流时间；此外，另外需设置路面隐形雨水沟槽，既不影响正常驾驶，又能将最低处积水快速排出。再者，应及时设置路面警示线并以不同颜色和文字标注。

4 结论

通过对呼和浩特市区内涝的时空分布特征及其成因进行分析，从时间分布特征而言，2016—2019年来内涝灾害较2010—2016年频繁；其次，内涝主要发生在6—9月间，尤其集中在7月。从空间分布特征而言，赛罕区积水点分布密度最大，而玉泉区最小。对其成因进行分析表明，呼和浩特市区暴雨日数虽少(1961—2018年)，但暴雨日的降水总量占比高，表明强降水造成内涝发生；此外，93.59%的积水点位于低洼地点，表明城市所处的地形地势也会造成城市内涝；再者，雨水管线流量较低造成积水面积增大。所以综上所述，极端降水和地势等自然因素导致雨水地表流量大、积流多并存在较多低洼地区形成内涝；而城市排水系统无法满足排水需求等人为因素造成雨水管线流量过小造成积水面积过大而形成内涝。